飛針測(cè)試工藝研究及Z軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂磊，譚立杰，趙立華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

電路組件的故障主要來(lái)自于3個(gè)方面：元器件故障、PCB（Printed Circuit Board,印刷電路板）基板故障和組裝故障，其中由于PCB基板制造和焊接缺陷引起的故障占了全部故障的一半。PCB基板故障一般是在制造過(guò)程中形成的，最為常見(jiàn)的故障表現(xiàn)為：不同網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體間的短路和相同網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體內(nèi)的開(kāi)路等。在元件組裝時(shí)或組裝后發(fā)現(xiàn)這些故障都將無(wú)法修復(fù)，而只能把組裝好的電路板報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失，因此，必須在組裝元件前進(jìn)行裸板測(cè)試。測(cè)試的方式有針床（bed-of-nails）方式和飛針?lè)绞剑瑑烧呦啾龋w針測(cè)試的整體性能要優(yōu)于針床測(cè)試方式，它可以完成某些不能使用針床測(cè)試的PCB測(cè)試，是對(duì)傳統(tǒng)針床在線測(cè)試設(shè)備的一種改進(jìn)。目前，飛針測(cè)試已經(jīng)成為電氣測(cè)試一些主要問(wèn)題的最新解決辦法，而這種設(shè)備最初就是為裸板測(cè)試而設(shè)計(jì)的。

1 飛針測(cè)試

根據(jù)飛針測(cè)試時(shí)固定被測(cè)基板的方式，飛針測(cè)試機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為豎立式和水平式。國(guó)外飛針設(shè)備豎立式和水平式都有，而國(guó)內(nèi)飛針設(shè)備大多是豎立式。

雙面飛針測(cè)試系統(tǒng)是集機(jī)、光、電、計(jì)算機(jī)于一體的高自動(dòng)化設(shè)備，是對(duì)PCB基板和LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）(注)基板進(jìn)行測(cè)試，找出基板內(nèi)的開(kāi)路、短路、潛在開(kāi)路和潛在短路的檢測(cè)設(shè)備。按照測(cè)試方式的不同可分為開(kāi)路測(cè)試、短路測(cè)試和電容測(cè)試。該設(shè)備適用于PCB基板和LTCC基板的小批量和中等批量的測(cè)試，是PCB和LTCC工藝生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一。

1.1 飛針測(cè)試的工作原理

利用4個(gè)或8個(gè)完全獨(dú)立的移動(dòng)測(cè)試針在軟驅(qū)控制下在被測(cè)基板兩面（前后各兩根或前后各4根測(cè)試針）進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)并接觸到待測(cè)點(diǎn)（如圖1所示），測(cè)試儀通過(guò)給測(cè)試針施加一定的電壓、電流，得到不同的測(cè)試信號(hào)，從而判斷待測(cè)基板網(wǎng)絡(luò)的通斷情況，并把測(cè)試結(jié)果經(jīng)軟件處理后打印輸出。

圖1 雙面飛針測(cè)試系統(tǒng)原理

1.2 飛針測(cè)試操作步驟

開(kāi)機(jī)→設(shè)備初始化→安裝測(cè)試板→導(dǎo)入測(cè)試文件*.IPC→打開(kāi)測(cè)試文件*.NET→設(shè)備校準(zhǔn)→測(cè)試設(shè)置→選基準(zhǔn)點(diǎn)→基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)→選擇測(cè)試方法→正常測(cè)試→生成測(cè)試結(jié)果→打印測(cè)試結(jié)果→結(jié)束

1.3 主要測(cè)試參數(shù)

通常測(cè)試主要是進(jìn)行開(kāi)路、短路測(cè)試，它的測(cè)試方法是利用兩點(diǎn)電流、電壓法；也可以選擇兩針或多針進(jìn)行電容測(cè)試，該方法主要應(yīng)用于具有標(biāo)準(zhǔn)金板、測(cè)試點(diǎn)非常多的情況。測(cè)試參數(shù)主要有：測(cè)試壓力、運(yùn)動(dòng)速度、Z測(cè)試距離、扎針量等重要參數(shù)：

（1）測(cè)試壓力。測(cè)試壓力是指直線電機(jī)帶動(dòng)測(cè)試針測(cè)試基板時(shí)，測(cè)試針接觸基板的持續(xù)壓力。測(cè)試壓力太小，可能是測(cè)試針與基板待測(cè)點(diǎn)接觸不可靠；測(cè)試壓力太大，可能破壞基板被測(cè)點(diǎn)，使被測(cè)點(diǎn)上出現(xiàn)測(cè)試針留下的小凹坑，影響基板外觀。

（2）運(yùn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)速度分為高、中、低3種，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)試效率高，但誤判率也相應(yīng)提高；低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)試效率低，但誤判率也相應(yīng)降低。推薦普通測(cè)試時(shí)采用中速，錯(cuò)誤驗(yàn)證時(shí)采用低速。

（3）Z測(cè)試距離。Z測(cè)試距離是由被測(cè)基板開(kāi)始，測(cè)試針往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)向上抬起的高度，設(shè)置范圍為0～3 mm。測(cè)試距離影響測(cè)試效率，因?yàn)闇y(cè)試針抬高的距離長(zhǎng)，需要的時(shí)間也長(zhǎng)，但數(shù)值也不能太小，太小的話可能會(huì)因?yàn)榛灞砻娌黄秸箿y(cè)試針沒(méi)有抬起就開(kāi)始移動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能劃傷基板表面、損壞測(cè)試針。

（4）扎針量。扎針量是指當(dāng)測(cè)試針接觸到被測(cè)基板表面后，繼續(xù)下降的距離，設(shè)置范圍為0～0.5 mm。一般數(shù)值越大，越能確保扎實(shí)，但當(dāng)數(shù)值太大時(shí)，就會(huì)增大扎針壓力，有可能破壞基板焊盤。

2 Z軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 直線電機(jī)

Z軸機(jī)構(gòu)（如圖2所示）采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于伺服電機(jī)、同步帶驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)勢(shì)為精度高、反應(yīng)速度快。Z軸控制采用位移、速度、力量控制模式，其自適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠彌補(bǔ)基板產(chǎn)生的變形，測(cè)試前先進(jìn)行基板探高，確定Z軸伸出絕對(duì)位移量，在測(cè)試過(guò)程中大行程采用位移控制模式，接近基板時(shí)采用小行程力量控制模式，使測(cè)試針以可設(shè)置的壓力接觸基板測(cè)試點(diǎn)，到達(dá)控制測(cè)試壓力的目的，同時(shí)減小對(duì)基板測(cè)試點(diǎn)的沖擊和損傷。

圖2 Z軸機(jī)構(gòu)

2.2 測(cè)試針

Z軸機(jī)構(gòu)中比較重要的是測(cè)試針和針座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試針先后選擇兩種方式，分別是針床用彈簧針（如圖3所示）和定制的實(shí)針（材料為鈹銅，表面鍍金）（如圖4所示）。最早采用針床用彈簧針主要原因是采購(gòu)方便、有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可替換性很好，但在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其很多缺點(diǎn)，如尖端角度大、彈簧伸縮引起針尖滑移等（針對(duì)其缺點(diǎn)將在介紹針座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中詳細(xì)說(shuō)明）。最后選用定制針，定制針的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)我們的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行加工，很好的滿足設(shè)備結(jié)構(gòu)需要，但相對(duì)于彈簧針缺點(diǎn)就是需要專門定制、采購(gòu)不是很方便。

圖3 彈簧針

圖4 定制針

2.3 針座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于飛針測(cè)試主要是電性能測(cè)試，針座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮測(cè)針與設(shè)備主體的絕緣性；直線電機(jī)在力量模式下，在相同推力時(shí)，其運(yùn)動(dòng)部分加速度與運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量成反比，在允許范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)部分加速度越大，達(dá)到測(cè)試基板面時(shí)間越小，因此需要運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量近可能小；測(cè)試針有一定的使用壽命，當(dāng)測(cè)試針出現(xiàn)磨損、彎曲時(shí)，可能影響測(cè)試數(shù)據(jù)，此時(shí)就需要更換測(cè)試針，同需要求針座結(jié)構(gòu)能方便更換測(cè)試針。因此針座結(jié)構(gòu)，需要達(dá)到的目的就是夾持測(cè)試針簡(jiǎn)單、更換測(cè)試針?lè)奖恪①|(zhì)量輕、不影響測(cè)試效率和不干擾測(cè)試結(jié)果，針對(duì)以上要求，在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中持續(xù)改進(jìn)了幾種方案：

（1）聚碳酸酯針架+鋁合金針座。最早采用的是聚碳酸酯的針架和鋁合金的針座（如圖5所示），聚碳酸酯的電絕緣性、高硬度及低密度，鋁合金的低密度，采用這兩種材料使Z向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分（這里的運(yùn)動(dòng)部分不包括直線電機(jī)線圈、導(dǎo)軌滑塊等固有的部分）質(zhì)量很輕（大約10 g），但測(cè)試針更換不方便，鋁合金針座加工性不好，尤其裝針的針孔精度不容易保證，顯得比較笨重。

圖5 聚碳酸酯針架+鋁合金針座

（2）聚碳酸酯針架+分體式鋁合金針座。相對(duì)于上一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種采用分體式鋁合金針座（如圖6所示），這樣提高了鋁合金針座的可加工性，夾持測(cè)試針比較牢固，更換測(cè)試針的方便性有所提高，但還是方便。

圖6 聚碳酸酯針架+分體鋁合金針座

（3）一體式聚甲醛針座。采用一體式聚甲醛針座（如圖7所示）的最大改進(jìn)是重量大幅減輕（大約5 g），更換測(cè)試針也比較方便。但是在直線電機(jī)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于聚甲醛針座臂比較長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生變形，影響測(cè)試針扎針定位精度。從CCD中會(huì)發(fā)現(xiàn)針尖有明顯偏移。

（4）鋁合金針架+聚甲醛針座。相對(duì)于上一種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，我們更改為鋁合金針架和聚甲醛針座（如圖8所示），針架部分強(qiáng)度有大改進(jìn)，不會(huì)因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變形，提高了扎針精度，但同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，測(cè)試針扎下瞬間是正確的，當(dāng)加上測(cè)試壓力后，發(fā)現(xiàn)彈簧針發(fā)生回縮，由于測(cè)試針相對(duì)垂直方向20°傾斜，回縮的同時(shí)針尖發(fā)生偏移，對(duì)于設(shè)備的精度有很大的影響。

圖7 一體式聚甲醛針座

圖8 鋁合金針架+聚甲醛針座

（5）鋁合金針架+聚丙烯針座。對(duì)于上面產(chǎn)生的不利影響，我們改進(jìn)為鋁合金針架和聚丙烯針座（如圖9所示），同時(shí)使用定制的實(shí)針。聚丙烯針座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用平行四邊形法則，具有彈性的針座使測(cè)試針相對(duì)于針座固定面近似于上下運(yùn)動(dòng)，很大程度減小針尖的偏移，針座的變形很好的吸收了測(cè)試針與基板接觸時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。定制的實(shí)針針尖錐度為12°，相對(duì)于彈簧針針尖部分30°的錐度，無(wú)論是扎針精度還是CCD觀測(cè)都有明顯改善。但鋁合金針架的加工性不好，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)聚丙烯針座的老化現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。

（6）分體式鋁合金針架+聚四氟乙烯針座+扭簧。這種設(shè)計(jì)（如圖10所示）是目前我們認(rèn)為比較實(shí)用的方案，分體式鋁合金針架加工性很好，聚四氟乙烯針座去掉了夾針用的開(kāi)口，使測(cè)試針與針孔過(guò)渡配合，加工性提高的同時(shí)，也使更換測(cè)試針更加方便。在聚四氟乙烯的后側(cè)增加了一個(gè)扭簧（如圖11所示），在測(cè)試過(guò)程中，使針座變形能夠快速恢復(fù)，提高針座的使用壽命。

圖9 鋁合金針架+聚丙烯針座

圖10 分體式鋁合金針架+聚四氟乙烯針座+扭簧

圖11 聚四氟乙烯針座+扭簧

3 結(jié)束語(yǔ)

PCP基板和LTCC基板正朝著高精密、細(xì)間距、多層化方向發(fā)展，使得其產(chǎn)品的測(cè)試難度越來(lái)越大。傳統(tǒng)的針床測(cè)試放大，由于受針床夾具測(cè)試間距的限制，越來(lái)越難以適應(yīng)PCB和LTCC產(chǎn)品測(cè)試的需要。特別對(duì)具有批量小、產(chǎn)品更新快特點(diǎn)的軍品來(lái)說(shuō)，如采用針床測(cè)試，必須頻繁更換針床夾具，這不僅增加了費(fèi)用，還不利于產(chǎn)品的快速更新。因此，能夠測(cè)試微間距（0.1mm）的飛針測(cè)試設(shè)備是將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

本文通過(guò)對(duì)最新研發(fā)的雙面飛針測(cè)試系統(tǒng)的介紹，簡(jiǎn)單介紹了飛針測(cè)試的主要工藝技術(shù)，并詳細(xì)介紹了Z軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程，為以后飛針設(shè)備的技術(shù)發(fā)展有重要參考價(jià)值。

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